Scuola di specializzazione in: Allevamento, igiene, patologia delle specie acquatiche e controllo dei prodotti derivati TECNOLOGIE PER L ACQUACOLTURA PROF. MASSIMO LAZZARI Anno accademico 2007-2008 Foam fractionators Frazionatori a schiuma Schiumatoi Frazionamento a schiuma I frazionatori a schiuma sono stati originariamente impiegati per il trattamento delle acque di scarico civili, industriali ed agro-industriali; solo di recente è stato studiato il loro impiego negli impianti di acquacultura, ma soprattutto in piccole situazioni produttive o acquari ornamentali. In queste situazioni, oggi vengono normalmente impiegati per il trattamento dell acqua di ricircolo, più che per la depurazione dell acqua di scarico. Questo comunque non diminuisce l interesse che i frazionatori a schiuma possono avere per il trattamento dei reflui di scarico, tanto che alcune Ditte stanno cominciando a commercializzare impianti anche di grande dimensione finalizzati proprio a questo scopo. Il principio funzionale dei frazionatori riproduce un effetto che avviene anche in natura, quello delle onde che si infrangono sulla spiaggia e che trasportano mediante la schiuma le sostanze organiche disciolte nell'acqua. Infatti, l impiego di appositi insufflatori e diffusori determina la produzione di microbolle d aria che vengono immesse e miscelate intimamente all'acqua in una colonna di contatto. Le molecole organiche derivate dagli escrementi dei pesci (DOC: Dissolved Organic Compound) tendono ad aderire alle bolle d aria e con esse vengono separate e raccolte in un apposito contenitore. Questo meccanismo sfrutta una caratteristica chimico-fisica comune a molte molecole organiche complesse, e cioè la loro polarizzazione: una estremità delle molecole è infatti polare e tende ad essere attratta dalle molecole d' acqua (idrofilia), mentre l altra estremità è apolare e tende a respingere le molecole d'acqua, ma ad essere attratta dalle bolle d'aria. Grazie a questa azione, le molecole organiche aderiscono perfettamente alle bolle d'aria immesse nella colonna di contatto, e formano una pellicola intorno alle stesse che le rende stabili di forma e di dimensioni, ed impedisce loro di riunirsi in bolle più grandi. Le molecole organiche tendono a seguire le bolle d aria nella loro naturale migrazione verso la superficie dell' acqua, ed una volta raggiunta la superficie formano una schiuma stabile (adsorbato) che monta verso l alto e si accumula in un apposito contenitore (nei frazionatori a schiuma di piccole dimensioni questo contenitore prende il nome di bicchiere). L adsorbato raccolto nel bicchiere tende successivamente a fluidificare (schiuma fluida) e quindi viene facilmente separato ed allontanato. Mediante la schiuma depositata il frazionatore è in grado di eliminare: - Proteine - Aminoacidi - Carboidrati - Lipidi - Batteri - Acidi grassi - Fenoli - Iodio - Phitoplancton e plancton. - Alcuni metalli (ferro, rame, zinco) - Residui vari e particelle in sospensione. - Tossine prodotte dagli invertebrati 1
Vantaggi dei frazionatori a schiuma Svantaggi Come già detto la rimozione della quasi totalità delle sostanze organiche che si trasformano in Nitrati e Fosfati Ricrea delle ottime condizioni igieniche Aumenta il contenuto di ossigeno disciolto Aumenta il potenziale redox Stabilizza il ph grazie alla rimozione degli acidi organici Elimina i fenoli e le sostanze che ingialliscono l'acqua Funge da filtro meccanico eliminando le particelle in sospensione Elimina le sostanze urticanti e permette l'allevamento di molti invertebrati e di tipo diverso. Eliminazione dei batteri: problema irrilevante, in quanto i batteri sono presenti in quantitativi enormi e sono in grado di riprodursi in maniera velocissima Eliminazione di alcuni elementi utili come lo Iodio ed il Ferro legati a sostanze chelanti per mantenerli in forma stabile. Questo è un problema che si verifica in acquari di piccole dimensioni, ma è facilmente risolvibile con l'integrazione di oligoelementi specifici o effettuando regolari cambi parziali d'acqua. Struttura generale dei frazionatori a schiuma Nella generalità dei casi un frazionatore si compone di 3 parti: - Colonna di contatto: è la zona dove l'acqua entra in contatto con le bollicine d'aria. - Bicchiere: è il contenitore dove si depositano le sostanze organiche estratte dall'acqua. - Collo: dove la schiuma si separa dall'acqua, si asciuga e risale verso il bicchiere. Efficienza dei frazionatori a schiuma L efficienza dei frazionatori a schiuma nell asportare le diverse sostanze organiche dallo scarico dipendono da numerosi fattori. Alcuni fattori sono rappresentati dalle caratteristiche dell acqua di scarico stessa, tra questi principalmente: - tensione superficiale, - ph, - temperatura, - quantità di sostanze organiche ed inorganiche disciolte. Altri fattori sono rappresentati da variabili operative dell impianto, tra questi principalmente: - diametro e quantità delle bolle d aria, - tempo di contatto. In particolare, però, l efficienza dei frazionatori a schiuma è influenzata essenzialmente da due parametri fondamentali: salinità dell acqua e temperatura. Questi parametri agiscono sulla tensione superficiale dell acqua: se la tensione superficiale è troppo bassa la schiuma ha difficoltà a formarsi, se al contrario la tensione superficiale è troppo alta, l interfaccia tra aria ed acqua tende a collassare. Salinità > 1000 ppm (no acqua dolce) Temperatura: le basse temperature favoriscono la produzione di schiuma, perchè la densità e quindi la tensione superficiale del liquido risultano più elevate Infine, l efficienza è naturalmente infleunzata dalle caratteristiche costruttive stesse dell impianto, e quindi principalmente da: - lunghezza della colonna di contatto, - forma del bicchiere di raccolta. 2
Diametro delle bolle Forma del bicchiere Le bolle d'aria per far aderire il maggior numero di molecole organiche e per rendere la schiumazione efficiente non dovrebbero avere un diametro ne troppo piccolo ne troppo grande. Le bolle troppo piccole salgono verso la superficie troppo lentamente e tendono a dissolversi, le bolle troppo grandi salgono troppo velocemente, offrono una minor superficie relativa di adesione, tendono a riunirsi in bolle sempre più grosse e quindi tendono a rallentare o ad ostacolare la formazione di schiuma sulla superficie dell' acqua. Le bolle di dimensione ideale hanno un diametro compreso tra 0,5 e 0,8 mm. Tempo di contatto Maggiore è il tempo durante il quale le bolle d'aria sono a contatto con l'acqua, maggiore risulta la quantità di molecole organiche che aderiscono alle bolle. L aumento del tempo di contatto può essere ottenuto immettendo bolle del giusto diametro, le quali risalgono con una velocità adeguata, e aumentando l altezza ed il diametro della colonna di contatto. Più è stretto e corto il collo del bicchiere più la schiuma sale velocemente, il risultato è un residuo molto liquido, abbondante, trasparente, con pochi residui all'interno. Un collo giustamente dimensionato, invece, consente alla schiuma di salire lentamente e di perdere acqua durante il tragitto, fino ad assumere le caratteristiche ottimali. La schiuma che contiene molte sostanze organiche e pochi elementi traccia e plancton si presenta compatta, piuttosto secca, di un colore verde o marrone scuro, di odore sgradevole. Quantità delle bolle Maggiore è la quantità delle bolle maggiore risulta il numero di molecole organiche attirate. Questo parametro è direttamente influenzato dal sistema di iniezione dell aria. Esistono tre metodi per immettere aria nella colonna: diffusione mediante elementi porosi, iniezione con eiettori Venturi aspirazione o Nedle weel. Diffusione con elementi porosi L'aria viene introdotta nella colonna di contatto mediante compressori e sminuzzata da blocchetti di materiale poroso (molto utilizzato il legno di tiglio). E' un metodo molto economico, ma concettualmente superato anche perchè consente risultati modesti. E' spesso sfruttato in frazionatori a schiuma molto piccoli, in abbinamento a filtri biologici. Può essere al limite utilizzato in acquari di piccole dimensioni e per sfruttarlo al massimo è meglio utilizzare aeratori potenti che riforniscono più elementi porosi di diffusione. Vantaggi: Economici. Svantaggi: gli elementi porosi tendono ad intasarsi dando al sistema un'efficienza discontinua sia rispetto alla quantità d'acqua introdotta sia rispetto alla qualità delle bolle generate. Il compressore è molto rumoroso. Iniezione o sistema Venturi Il metodo Venturi è estremamente efficiente e consente una perfetta schiumazione ed una resa ottimale. L'acqua e l'aria vengono prelevate da una pompa e spinte con forza in un cono che presenta all'estremità un piccolo ugello posizionato all'interno del tubo di mandata della pompa. L acqua transitata attraverso l ugello subisce quindi una forte espansione che crea una depressione tale da richiamare l aria dalla superficie attraverso un apposita tubazione. In questo modo l'acqua e l'aria vengono emulsionate formando un gran numero di bolle fini. Questo sistema viene impiegato nell unica attrezzatura di dimensione adatte all impiego in acquacoltura attualmente commercializzata in Italia (SKIM Acqua&co). Vantaggi: Molto efficiente Svantaggi: Necessita di pompe molto potenti per vincere la resistenza offerta dal cono venturi, ciò ne aumenta il costo. Il cono Venturi ed il rubinetto per regolare l'ingresso dell'aria si otturano abbastanza facilmente, questo può determinare prestazioni discontinue. Aspirazione o Nedle weel Con questo metodo, l acqua e l aria vengono aspirate da una pompa con la girante modificata a spazzola, che frange l aria in un gran numero di perfette microbolle. L'acqua trattata esce per "troppo pieno" da uno o due tubi di scarico, in alcuni casi muniti di rubinetto di regolazione. Vantaggi: Molto efficiente e silenzioso. Non avendo nessuna costrizione non necessita di pompe potenti, ciò ne fa diminuire il costo. Non avendo nessuna costrizione si evita il rischio di otturazioni e di interventi e tarature costanti, il sistema rimane sempre efficiente. Sembrerebbe rimuovere una minor quantità di plancton rispetto agli frazionatori che utilizzano il sistema Venturi. Svantaggi: La girante a spazzola tende ad usurare e deve essere frequentemente sostituita. 3
15/02/2008 Trattamento dell acqua con Frazionatore a schiuma SKIM (acqua&co ) Il processo che avviene nei frazionatori a schiuma, oltre ad aasicurare la funzione di asportazione delle sostanze organiche disciolte, provevde ad una ottimizzazione degli scambi gassosi, eliminando i gas dannosi e garantendo un alta concentrazione di ossigeno che mantiene stabile ed elevato il valore di ph ed aumenta il potenziale redox. 4
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